Redox-Flow-Batterie

Eine Redox-Flow-Batterie wird auch Redox-Flussbatterie, Flussbatterie oder Redox-Flow-Zelle genannt. Redox steht für Reduktion–Oxidation. Reduktion bedeutet Elektronenaufnahme, Oxidation bedeutet Elektronenabgabe. Redox-Flow-Batterien sind Langzeitenergiespeicher. Es handelt sich um elektrochemische Speicher. Redox-Flow-Batterien speichern Energie durch eine umkehrbare elektrochemische Reaktion zwischen zwei Elektrolyten. Es werden AC/AC-Wirkungsgrade von bis zu 75 Prozent erreicht.

Eine Redox-Flow-Batterie besteht aus einem Leistungsteil, der auch Energiewandler genannt wird, einer Steuerungseinheit und einem Elektrolyt-Tank-System mit einem oder mehreren Elektrolyten. In den Elektrolyten sind Salze gelöst. Der Leistungsteil besteht aus einer oder mehreren elektrochemischen Zellen. Jede Einzelzelle besteht aus zwei Elektroden und einer ionenleitenden Membran. Dazwischen fließen Elektrolyte, die als Speichermedium dienen. Sie liegen bei Raumtemperatur in flüssiger Form vor. Die Elektrolyte werden in externen Tanks gespeichert und durch die Zellen gepumpt.

Einzelne Zellen lassen sich zu einem Stack zusammenschalten. In diesem Fall wirken die Elektroden als Bipolarelektroden. Benachbarte Zellen teilen sich eine Elektrode. Die Kathode der ersten Zelle wirkt als Anode der nächsten Zelle. Alle Zellen werden parallel von den Elektrolyten durchströmt.

Das System einer Redox-Flow-Batterie ähnelt dem einer Brennstoffzelle. Zur Energieumwandlung strömen Elektrolyte durch die elektrochemischen Zellen. Eine elektrochemische Zelle besteht jeweils aus zwei Halbzellen. Die Halbzellen bestehen jeweils aus einer Elektrode und einem Durchflussweg für die Elektrolyte und sind durch eine ionenleitende Membran voneinander getrennt. Die Elektrode besteht in der Regel aus Graphit/Kompositmaterialien. Durch eine der beiden Halbzellen fließt an einer Elektrode ein positiver Elektrolyt, der auch Katholyt genannt wird. Durch die andere Halbzelle fließt an einer Elektrode ein negativer Elektrolyt, der auch Anolyt genannt wird. Durch die Membran hindurch werden die Ionen der in den beiden Elektrolyten gelösten Salze ausgetauscht. Dadurch ändert sich die Wertigkeit der Ionen des jeweiligen Salzes. Zur Beschleunigung der Reaktion werden teilweise Katalysatoren eingesetzt. Nach der Reaktion werden die verbrauchten Elektrolyte in die Tanks zurückgepumpt und können bei Bedarf ausgetauscht werden. Bei der Wiederaufladung der Redox-Flow-Batterie läuft der Prozess umgekehrt ab.

Es gibt unterschiedliche Kombinationen von Salzen, die in Redox-Flow-Zellen eingesetzt werden. Erste Versuche wurden in den 1970er Jahren von der Nasa zunächst mit Eisen-Titan-Systemen und später mit Eisen-Chrom-Systemen gemacht. Aufgrund der hohen Kosten für die Ionenaustauschmembran wurden die Versuche wieder eingestellt.

Ein großes Problem bei Redox-Flow-Batterien ist das sogenannte Crossover. Hierbei wandern Ionen durch die Membran hindurch in die jeweils andere Halbzelle. Die Elektrolyte werden verunreinigt, das führt zu einem Wirkungsgradverlust und zur Selbstentladung der Batterie, so dass die Kapazität kontinuierlich abnimmt.

Als Redoxpaare werden verschiedene Verbindungen aus Titan, Eisen, Chrom, Vanadium, Cer, Zink, Brom und Schwefel verwendet. Werden Zink-Brom-Systeme oder Zink-Cer-Systeme eingesetzt, handelt es sich um sogenannte Hybrid-Flow-Systeme. Bei diesen Systemen liegt eines der elektroaktiven Materialien als Feststoff innerhalb des Systems vor. Zink wird in diesem Fall im geladenen Zustand an der Elektrode abgeschieden.

Es gibt verschiedene Redox-Paare. Bislang wurden folgende erprobt:

Am weitesten ausgereift sind die Vanadium-Redox-Systeme.

Der große Vorteil von Redox-Flow-Systemen ist, dass Leistungsteil und Speichereinheit voneinander getrennt sind. Sie können daher unabhängig voneinander skaliert werden. Die Leistung, also kW, kann durch Anpassung des Stacks variiert werden. Je mehr einzelne Zellen der Stack umfasst, desto größer wird die Leistung. Die Speicherkapazität, also kWh, kann durch Anpassung der Tankgröße für die Elektrolyte verkleinert oder vergrößert werden. Die Höhe der Leistung ist abhängig von der jeweiligen Spannung der Zellen und von der Membranfläche. Bei Vanadium-Redox-Zellen liegt die Spannung bei ca. 1,2 V. Bei Polysulfid-Brom-Zellen liegt die Spannung bei ca. 1,5 V. Bei Zink-Brom-Zellen liegt die Spannung bei ca. 1,8 V. Bei Zink-Cer-Zellen ist eine Spannung von ca. 2,4 V erreichbar.

Redox-Flow-Batterien sind Langzeitspeicher und können z. B. in der unterbrechungsfreien Stromversorgung, zum Lastenausgleich und zur Speicherung von Strom aus erneuerbarer Energien eingesetzt werden.

Englische Übersetzung(en):

redox-flow battery